Изделий из силикатного стекла

Из многообразных неметаллических стекол наиболее широкое применение имеет класс силикатных стекол на основе двуокиси кремния (кремнезема) SiO₂. В качестве источника кремнезема используют кварцевый песок. Содержание SiO₂в различных стеклах составляет от 40 до 80 % по массе. Из силикатных стекол в промышленности особое значение имеют стекла системы Na₂O – CaO – SiO₂. Окись натрия вводится в состав исходной шихты в виде кальцинированной соды или (частично) с селитрой. Для введения в шихту окиси кальция CaOдобавляют известняк или мел.

Технология получения стеклянных изделий состоит из нижеследующих производственных циклов.

Подготовка сырых материалов и получение шихты. Начальный цикл включает подготовку исходных сырых материалов: сушку, измельчение в дробилках и др., просеивание для получения требуемого гранулометрического состава по размеру частиц. Подготовленные исходные материалы смешивают в барабанных или других видах смесителей в определенных соотношениях по массе для получения заданного химического состава готового стекла.

Получаемая однородная смесь исходных сырых материалов составляет шихту. На крупных стекольных заводах шихта хранится в бункерах. Один из примеров химического состава шихты дан в табл. 12.

Таблица 12

Пример состава шихты для получения листового

полированного стекла флоат-способом

№ п/п	Составные части шихты	Количество по массе, %	Назначение
	Песок кварцевый размером 0,15…0,50 мм	58,9	Введение SiO2
	Пегматит или полевой шпат	3,0	Введение Al2O3
	Известняк	4,0	Введение CaO
	Доломит	15,0	Введение MgO
	Сода кальцинированная Na2CO3	18,0	Введение Na2O
	Сульфат натрия Na2SO4	1,0	Осветление стекломассы при стекловарении (удаление газов)
	Уголь каменный	0,1

Из шихты приведенного состава в процессе стекловарения формируется силикатное стекло следующего химического состава (мас. %): 73,0 SiO₂; 13,4 Na₂O; 8,7 CaO; 3,6 MgO; 0,9 Al₂O₃; 0,3 SO₃; 0,1 Fe₂O₃.При подобном составе силикатных стекол, основывающихся на системе Na₂O – CaO – SiO₂, температура формования листового стекла на поверхности расплава олова на 25…30 ⁰С выше верхней температуры возможной кристаллизации стекла данного состава.

Варка стекла. Подготовленная шихта направляется для варки стекла в стекловаренных печах. Варка массовых промышленных стекол осуществляется в ванных проточных печах непрерывного действия. Конструктивно эти печи имеют варочный бассейн и «студочную» часть бассейна, соединенных между собой протоком стекломассы в пережимной части.

Такая непрерывная ванная печь со средней производительностью 450 тонн стекла в сутки имеет общую длину бассейна с пережимной частью до 60 метров, ширину 8…10 метров и глубину до 1,5 метров. Емкость бассейна стекловарочной печи составляет 2100…2500 тонн стекломассы. Температура варки в начале печи до 1600 ⁰С, а в конце печи перед сливным лотком снижается до 1000 ⁰С.

Цикл стекловарения, т.е. получения стекла, состоит из нескольких стадий:

· стадия силикатообразования, в процессе которой происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты с образованием силикатов и получением непрозрачного расплава;

· стадия стеклообразования с дальнейшим растворением остаточных зерен песка в силикатном расплаве, удалением химически связанных газов и образованием относительно однородной стекломассы. Около 25 % кремнезема в обычных силикатных стеклах химически не связано. Эта стадия составляет около 30 % от общей длительности стекловарения;

· стадия осветления и гомогенизации, на которой снижается степень пересыщения стекломассы газами, происходит усреднение по химическому составу, т.е. получение более однородной стекломассы;

· стадия «студки», на которой полученная стекломасса охлаждается до температуры пластичного физического состояния ~ 700…1000 ⁰С и имеет величину вязкости, обеспечивающую возможность формования изделий из стекломассы.

Формование стекломассы. На заключительном цикле получения стеклянных изделий осуществляется формование стекломассы различными способами в зависимости от вида изделий. При массовом производстве оно выполняется на стеклоформующих машинах. Так, применяется прессование посудных изделий и стеклянной тары, вытягивание или выдувание труб и стержней, прокатка листового строительного стекла и др.

Автомобильное полированное стекло формуется флоат-способом. В этом случае стекломасса из стекловаренной печи непрерывно сливается в флоат-ванну на поверхность расплавленного рафинированного олова, имеющего температуру не менее 1000 ⁰С. Стекло растекается по поверхности олова в виде слоя толщиной 2…15 мм и при охлаждении формуется в ленту длиной 5000…6000 мм и шириной до 3200 мм с плоскопараллельными поверхностями. Обе поверхности ленты из стекла становятся полированными, не требующими дополнительной обработки.

Отжиг стекла. Сформованная стеклолента вытягивается из флоат-ванны и далее поступает в отжигательную роликовую печь длиной до нескольких десятков метров. Отжиг ленты стекла проводят с целью уменьшения внутренних остаточных напряжений, возникающих при ускоренном охлаждении на воздухе и приводящих к самопроизвольному образованию трещин.

Отжиг проводится в температурном интервале от 530 до 400 ⁰С при медленном охлаждении по заданному режиму. Максимальная температура отжига должна быть на 20…50 ⁰С меньше температуры размягчения стекла. Длительность отжига стекла зависит от толщины изделия. Для отожженных изделий из обычных промышленных стекол допускается наличие остаточных напряжений не более 3,5 МПа. В случае получения листового полированного стекла флоат-способом далее лента стекла поступает с рольганга к механизмам для поперечной резки, где разрезается на заготовки – полуфабрикаты заданной длины.

Закалка стекла. Для повышения прочности некоторых видов стекол применяют закалку. Стекло нагревают в электрических печах с автоматическим регулированием температуры до 600…650 ⁰С с получением пластичного физического состояния. Затем в обдувочных камерах изделия подвергают равномерному быстрому охлаждению потоками холодного воздуха в течение нескольких минут.

В результате закалки в стекле возникают значительные внутренние напряжения: в наружных слоях – напряжения сжатия, во внутренних слоях – напряжения растяжения. Это приводит к повышению предела прочности при изгибе до 230…270 МПа. При разрушении такие закаленные стекла образуют частицы с тупыми не режущими краями, что повышает его безопасность. Закаленные листовые стекла применяются для остекления окон автомобилей, самолетов, вагонов и т.п.

Моллирование стекла. Для получения листовых стекол с криволиней-ным профилем широко используется способ моллирования. Он заключается в постепенном равномерном нагревании стекла до температуры 650…670 ⁰С с переходом в пластичное физическое состояние и дальнейшим криволинейным изгибом стекла в специальной форме моллирования при ее заполнении под действием собственной массы изделия или прессованием при воздействии внешней механической силы.

Способ моллирования широко применяется при изготовлении гнутых закаленных или отожженных изделий из стекла, гнутых стекол для автомобилей типа «триплекс» и других назначений (прилавки магазинов, фонарное остекление зданий и т.п.).

Производство автомобильного гнутого стекла «Триплекс». По международным нормам безопасности лобовые стекла всех видов автомобилей должны быть типа «триплекс». Это трехслойные стекла, состоящие из двух листов полированного силикатного стекла высшего качества с промежуточной полимерной пленкой ПВБ. Пленка склеивается с листами силикатного стекла. Для производства триплекса используется полированное флоат-стекло толщиной 2…3 мм и поливинилбутиральная пленка ПВБ толщиной ~ 0,8 мм.

Основные операции изготовления стекла «триплекс» включают резку заготовок из полированного стекла, отламывание бортов и затупление кромок. Внутренние и внешние стекла обрабатываются на двух отдельных полуавтоматических линиях. После моечно-сушильной машины они поступают на установку формирования пакета и на внутреннюю поверхность наружного стекла наносится порошок разделительного материала (тальк). Далее на наружное стекло укладывается внутреннее стекло.

Сформированные стеклопакеты направляются на участок моллирования. Оно проводится в туннельных конвейерных печах длиной до 25 метров, состоящих из зоны моллирования и зоны отжига. После мойки и сушки стеклопакеты и раскроенная пленка ПВБ собираются в пакеты «стекло-пленка-стекло». Затем проводится подпрессовка трехслойного пакета в печи при температуре 130 ⁰С методом вакуумирования. Применяется и способ подпрессовки путем прокатки в обрезиненных валках.

Подпрессованные пакеты устанавливают вертикально в пирамиды, помещают в автоклавные тележки и загружают в воздушный автоклав по рельсовым путям. Проводят прессование пакетов при давлении 1,3 МПа и температуре 140…150 ⁰С в течение 30 мин.

Тележки со спрессованным триплексом выгружаются из автоклава по рельсовым путям. После ряда вспомогательных операций проводится 100% - ный контроль качества стекла и упаковка в тару.

Горячая, холодная и химическая обработка сформованных изделий из стекла. К горячей обработке относится «огневая» полировка, т.е. оплавление поверхности изделий из стекла с помощью газовой горелки или другими способами.

Холодная обработка стекла включает шлифование, полирование, резку, сверление отверстий и др. Шлифование ведется с помощью абразивов и придает изделиям матовую поверхность. Проведение полирования с помощью крокуса после шлифования уменьшает микронеровности поверхности. При этом изделия из стекла становятся прозрачными.

При массовом производстве листового стекла шлифование и полирование осуществляются на автоматических конвейерных линиях. Производительность этих линий составляет сотни тысяч квадратных метров в год.

Химическая обработка заключается в травлении стекла двух разновидностей. В случае травления стекла слабыми растворами плавиковой кислоты в смеси с концентрированной серной кислотой на поверхности образуются растворимые химические соединения. При этом поверхность стекла становится гладкой и блестящей (кислотная полировка).

При травлении стекла азотообразным фтористым водородом в результате образования нерастворимых и малорастворимых химических соединений поверхность стекла становится матовой. Нанесение на поверхность изделий из стекла рисунков методом травления проводят с помощью машин.